DE3121045C2

DE3121045C2 - Vor Schäden durch Bodenerschütterungen geschützter, räumlich schwimmend gelagerter Körper

Info

Publication number: DE3121045C2
Application number: DE3121045A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl. Ing. Zürich Staudacher
Original assignee: Seisma AG
Current assignee: Seisma AG
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1981-05-27
Publication date: 1986-08-07
Also published as: DE3121045A1; BR8104067A; CA1160650A; GR75710B; FR2507657A1; FR2507657B1; JPS5740035A; NZ197523A; CH625302A5; MX152987A

Abstract

Der vor Schäden durch Bodenerschütterungen integral geschützte, räumlich schwimmend gelagerte Körper (D) ist über mechanische Isolatoren (C), die in allen Richtungen elastisch ausgebildet sind, mit einer fest mit dem Untergrund verhafteten Basis (B) verbunden. Zwischen der höchsten (6) der als Grundfrequenzen bezeichneten sechs tiefsten Systemeigenfrequenzen (1-6) des aus dem Körper (D) und den Isolatoren (C) bestehenden Schwingungskörpers und der tiefsten (7) der als Oberfrequenzen bezeichneten höheren Systemeigenfrequenzen (7, 8 . . .) ist ein als Eigenfrequenzloch bezeichneter Bereich vorhanden. In diesem Bereich weist der Schwingungskörper keine Eigenfrequenzen auf. Das Eigenfrequenzloch soll im Resonanzbereich des maßgebenden Bemessungs-Reaktionsspektrums der Erschütterung (E) liegen. Durch diese Maßnahmen hält der Körper den größten, am Standort gemessenen oder zu erwartenden starken Erdbeben stand.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen vor Schaden durch Bodenerschütterungen geschützten, räumlich schwimmend gelagerten Körper, welcher über mechanische Isolatoren, die in allen Richtungen elastisch ausgebildet sind, auf einem steif mit dem Untergrund verbundenen Fundament gelagert ist. Ein derartiger Kör

per ist aus der CH-PS 4 50 675 bekannt

Der bekannten, erdbebengerechten Bauweise liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die fundamentalen Gebäudeeigenfrequenzen fast unvermeidbar in den Resonanzbereich der Erdbeben-Reaktionsspektren zu liegen kommen. Die Bewegungsenergie, welche diesen Gebäuden durch die Bodenerschütterungen übermittelt wird, wandelt sich in Strukturdeformationen um. Solange diese Strukturdeformationen im elastischen Bereich bleiben, werden die Gebäude nicht beschädigt Wenn nun aber Erschütterungen auftreten, die in den tragenden Elementen des Gebäudes die Fließgrenze des Materials übersteigende Deformationen bewirken, so ergeben sich Brucherscheinungen, die bis zum Einsturz des Geis bäudes führen können.

Entscheidende Forschritte in der Erdbebensicherheit von Gebäuden konnten erzielt werden, als es gelang, die Strukturdeformationen, welche bei der bisherigen Bauweise hauptsächlich im Oberbau des Gebäudes stattfinden, aus diesem bruchgefährdeten Bereich zu entfernen.

In der bereits eingangs genannten CH-PS 4 50 675

wird in dieser Beziehung vorgeschlagen, flexible Zonen in Form von hochelastischen Isolatoren zwischen dem Oberbau des Gebäudes und seinem Fundament anzuordnen, damit eine räumlich schwimmende Lagerung entsteht

Vollkommen befriedigende Ergebnisse, auch bei stärksten iZrschütterungen, haben sich jedoch auch mit dieser Anordnung nicht erzielen lassen. Hinzu kommt daß ein rechnerischer Nachweis nicht einfach und zuverlässig geführt werden kann.

Es seien hierzu nachstehend die üblichen Methoden zum Nachweis der Erdbebensicherheit beurteilt:
Zur exakten rechnerischen Untersuchung eines Bauwerkes müssen im Prinzip die mechanischen Eigenschaften aller vier Elemente des Systems, d. h. Gebäude, Isolatoren, Fundament und Untergrund, bekannt sein. Die Massen-, Dämpfungs- und Steifigkeitsverteilung im Oberbau, den allenfalls vorhandenen Isolatoren, dem Fundament und dem Baugrund werden ins mathematische Systemmodell eingebracht, um seine dynamischen Reaktionen infolge einer gegebenen Erdbebenbeanspruchung zuverlässig zu ermitteln.
Die heute gebräuchlichen, in den gesetzlichen Baunormen vorgeschlagenen Berechnungsmethoden mit Hilfe von stark vereinfachten Finite-Element-Modellen vermögen aber den Bedürfnissen eines integralen Erdbebenschutzes nicht zu genügen. Die spektrale Analyse mit Hilfe der üblichen Mittelwertspektren ergibt Resultäte mit einer möglichen Fehlerspanne von mehreren 100%, während die Kosten einer modalen oder linearen inkrementalen Analyse an den Rohbaukosten des Gebäudes gemessen werden müssen. Dabei ist im Auge zu behalten, daß zum integralen Erdbebenschutz prinzipiell jene exponierten Elemente des Tragwerkes aufgefunden werden müssen, deren Versagen einleitende Ursache zum Einsturz werden kann.

Auch in der Technik der Lastfalldefinition besteht eine gewichtige Lücke:

Es gibt keine direkte mathematische Beziehung zwischen den seismologischen Erdbeben-Stärkeangaben mittels geschätzter Intensitäten oder gemessener Magnituden und ingenieurmäßig verwendeter Größen wie der maximalen Beschleunigung eines Signals.

Die Kritik bezieht sich somit auf die Tatsache,

— daß im baulichen Erdbebenschutz mit einem unzulänglich bekannten Lastfall und mit Berechnungs-

methoden gearbeitet wird, welche die wirklichen Verhältnisse in unzulässiger Weise vereinfachen;

— daß die üblichen Finite-Element-Modelle für eine präzise Untersuchung von Gebäuden zu wenig detailliert werden können bzw. bei groEer Auflösung in der Anwendung zu teuer sind (mangelnde Wirtschaftlichkeit bzw. ungenügende Präzision der Resultate);

— daß die Materiaisegmente der Baumaterialien (z. B. Stahlbeton) unter Erdbebenanregung zu wenig bekannt iiild.

Damit muß die durch Konvention normgemäß errechnte Erdbebenbeanspruchung der Gebäude als unzuverlässige Schätzung betrachtet werden, die in der Praxis um ein Vielfaches übertroffen werden kann.

Mit diesen Feststellungen im Einklang besteht der beschränkte Erdbeben-Schutzauftrag, der den bekannten Erdbebennormen zugrunde gelegt wird. Dieser verlangt,

— daß die Gebäude den am Bauplatz regelmäßig wiederkehrenden schwachen Erdbeben möglichst schadenarm standhalten und

— daß bei Auftreten von intensiven bzw. extremalen Erdbebenerschütterungen der Schutz des menschlichen Lebens dem Gebäudeschutz vorgeht.

Der Grund, weshalb der Schutzauftrag bisher in solcher Weise reduziert wurde, lag nicht nur daran, daß es unwirtschaftlich war, für alle Bauten hochseismischer Regionen konsequentere bauliche Schutzmaßnahmen zu fordern. Es bestand vor allem bis heute in der Praxis keine Möglichkeit, den integralen Erdbebenschutz technisch zu verwirklichen bzw. rechnerisch nachzuweisen. Dazu müßte der rechnerische Nachweis so geführt werden, daß jede exponierten Strukturelemente tatsächlich aufgefunden werden könnten, deren Versagen einleitende Ursache zum Einsturz sind. Schließlich bestand eine erhebliche Rechtsunsicherheit in der Bestimmung des Lastfalles, wofür die Wirtschaft bisher keine anerkannten ingenieurmäßigen Definitionsgrundlagen bereitgestellt hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und einen integralen Erdbebenschutz von Bauwerken und ähnlichen Körpern praktisch zu verwirklichen. Dabei sollen die stärksten Erschütterungen, die am Bauplatz bis heute gemessen wurden bzw. aus vorher definierten oder bekannten Ursachen dort zu erwarten sind, wiederholt und schadlos aufgenommen werden können. Weiterhin soll der erzielbare integrale Schutz durch Rechnung oder Experiment in einfacher Weise zuverlässig und wirtschaftlich nachgewiesen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Fundament als durchgehende Platte, Trog oder dergleichen ausgebildet ist, und ein steifer Untergrund vorliegt, wobei Oberbau, Isolatoren, Fundament und Untergrund derart aufeinander abgestimmt sind, daß als Eigenfrequenzen einmal tiefe Grundfrequenzen" und zum anderen hohe Oberfrequenzen des aus dem Oberbau und den Isolatoren bestehenden Schwingungselementen auftreten und zwischen diesen Grundfrequenzen und den Oberfrequenzen ein als Eigenfrequenzloch bezeichneter Bereich vorhanden ist, in welchem das Schwingungselement keine Eigenfrequenzen aufweist, wobei das Eigenfrequenzloch in dem als Resonanzbereich bezeichneten Bereich des zentralen Frequenzbandes mit großen Amplituden des maßgebenden Bemessungs-Reaktionsspektrums der Erschütterung liegt.

In einem erweiterten Rahmen der Erfindungsaufgabe soll auch der Schutz von Körpern gegen Erschütterungen allgemeiner Natur bewirkt werden. Neben den natürlichen Erdbeben kommen künstliche Erdbeben infolge von nuklearen oder konventionellen Bombenexplosionen sowie Sprengungen, Flugzeugabstürzen, Einschlägen von Geschossen und anderen stoßartigen Ein-Wirkungen in Frage. Neben Gebäuden, Unterständen, Energieanlagen, Militäranlagen sollen auch große Maschinen und Isolatorenstationen geschützt werden können. Nicht nur der eigentliche Baugrund freistehender Gebäude, auch ein Kavernenfels, ein Maschinenchassis oder ein Gebäudeteil selber als Träger gefährdeter Geräte können die Rolle des erschütterten Mediums übernehmen. Als gefährdendes Ereignis wird z. B. auch ein Flugzeugabsturz auf ein Reaktorgebäude, worin sich eine große Maschine befindet, angesehen.

Durch geeignete Bemessung der einzelnen Elemente im Rahmen der erfindungsgemäßen Maßnahmen hält das Bauwerk den größten am Bauplatz gemessenen oder zu erwartenden Starkbeben schadlos stand. Es ist somit integral gegen Erdbeben geschützt. Damit ist die Fähigkeit des geschützten Gebäudebereichs gemeint, wiederholt extremale Erdbebenerschütterungen ohne elasto-plastische Deformationen, d. h. Zerstörungen, des Tragwerks zu überstehen.

Nachstehend werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch ein Bauwerk, welches auf erdbebengefährdetem Baugrund steht,

F i g. 2 ein Fourier-Amplitudenspektrum einer Erdbebenerschütterung,

F i g. 3 schematisch einen mechanischen Isolator,
Fig.4 einen Querschnitt durch einen isolierten Unterstand in einer Kaverne und
Fig.5 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung des Modells zu einem Standardgebäude für den rechnerischen und experimentellen Nachweis des integralen Erdbebenschutzes.

Das in der F i g. 1 dargestellte, gefährdete Bauwerk D ist über elastische Isolatoren C mit dem Fundament B und der Umgebung, z. B. dem Untergrund A, verbunden. Mit P\ und P2 sind die Bezugspunkte einer meßbaren Erschütterungswelle E bezeichnet, z. B. ein Erdbeben, ausgedrückt im Zeitbereich T als räumliche Translations- und Rotationsbeschleunigung [DE(T)J.

Als Erschütterungen sollen hier beliebige räumliche, dynamische Bewegungen im umgebenden Untergrund A verstanden werden, die sich auf die Isolatoren C des Oberbaus D übertragen. Sie können stoßweise oder als periodische bzw. pseudoperiodische Schwingungen ablaufen.

Als »intensive oder extremale Erschütterungen« sind solche dynamischen Bewegungen der Auflager zu betrachten, welche die mechanische Integrität des Oberbaus D bedrohen oder seinen normalen Gebrauch in unzulässiger Weise behindern bzw. gänzlich verunmöglichen, solange keine spezifischen Schutzmaßnahmen getroffen worden sind.

Die Erschütterungen können als Zeit- oder Frequenzfunk'ionen deterministisch oder in Form von Bemessungs-Spektralformen probabilistisch definiert werden. Der spezifische Charakter der Erschütterungen wird als Fourier-Amplituden- und -Phasen-Spektrum oder als sog. Reaktions-Spektralform beschrieben. Die maßgeb-

lichen Größen sind der Frequenzinhalt des Signals, d. h. die spektrale Verteilung der Amplituden als Funktion der Frequenz, und die maximale Beschleunigung des Signals zu Kalibrierzwecken.

Das in der F i g. 2 schematisch dargestellte Erdbeben-Reaktionsspektrum gilt als typische Form eines seismischen Bemessungsspektrums, wobei die möglichen Grundfrequenzen und die tiefsten Oberfrequenzen des vorgeschlagenen, aus dem Oberbau D und der Isolatoren C bestehenden Schwingungskörpers eingezeichnet sind. Ein solches Bemessungs-Reaktionsspektrum wird aus einer oder mehreren geeignet geeichten Zeitfunktionen berechnet. Mit Hilfe eines bekannten Rechenverfahrens wird die maximale Bewegungsreaktion eines einfachen, gedämpften Schwingers auf die gewählte Erregung ermittelt und in Abhängigkeit der Eigenfrequenz des Schwingers graphisch aufgetragen. Für typische Erdbeben-Bodenerschütterungen besitzt es ein zentrales Frequenzband mit großen Amplituden. Dieses Band wird als Resonanzbereich des Reaktionsspektrums bezeichnet

In der Fig.2 bezeichnet Fdie Frequenz und Sa die Reaktions-Spektralform der Erschütterung im Beschleunigungsbereich. Sa™" ist der Scheitel oder Maximalwert der Spektralbeschleunigung im Resonanzbereich, und Sa^R ist sein Referenz- oder Grenzwert, wobei die entsprechenden Grenzfrequenzen des Resonanzbereichs mit F\ und F₂ bezeichnet sind.

Die obere und untere Beschränkung der ganzen spektralen Frequenzbandbreite F ergibt sich aus dem spezifischen Charakter der Erschütterungen, gegen welche die vorgeschlagenen technischen Maßnahmen eingesetzt werden. Der Resonanzbereich, der die anregungsgefährdeten Gebäudefrequenzen beschreibt, wird aus dem Amplitudenspektrum als jene zentrale Zone II ausgeschieden, deren Spektralbeschleunigung den Grenzwert Sa^R überschreitet. Dieser Grenzwert Sa^R kann als Funktion des Maximalwertes Sa^m" ausgedrückt werden, z. B. Sa" = 0,8 χ Sa™*. Unterhalb der Resonanzzone II befindet sich die Zone I für die tieferen, ungefährlicheren Grundfrequenzen, und oberhalb befindet sich die Zone III für die Oberfrequenzen.

Die fundamentalen Eigenfrequenzen der meisten Gebäude fallen durchwegs in die Zone II des schematisierten Erdbeben-Fourier-Amplitudenspektrums. Der entsprechende Bereich der Resonanzzone für feste Böden liegt zwischen 1,6 Hz bis 6,0 Hz (Erfahrungswerte). Daraus ergeben sich folgende Zonenbreiten:

Zone I
Zone II

Zone III

< 1,6 Hz zwischen 1,6 Hz und 6,0 Hz > 6,0 Hz

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Zu beachten ist, daß sich Aussagen über Eigenfrequenzen des Bauwerks auf den gesamten Schwingungskörper, gebildet aus dem Oberbau D und die ihn umgebenden Isolatoren C (Fig. 1), und nicht auf einzelne Teilbereiche des Oberbaus beziehen.

Die Art der Erschütterungsgefährdung von ungeschützten Bauwerken, die durch die vorgeschlagenen technischen Maßnahmen geschützt weden sollen, wird wie folgt abgegrenzt:

a) Einsturzgefahr für Bauwerke konventioneller Bauweise mit anregbaren Eigenfrequenzen in der Zone I. Die Anregung des Fundaments B kann in der tragenden Struktur des Oberbaus D unzulässig große Deformationen bewirken. Das führt an exponierten tragenden Elementen zu Zerstörungen: Bedrohung der mechanischen Integrität (Einsturz bzw. Unbrauchbarwerden) von Teilbereichen oder der Gesamtstruktur.

b) Resonanzgefahr für Bauwerke konventioneller Bauweise mit anregbaren Eigenfrequenzen in der Zone II bzw. für Geräte im Innern des Bauwerkes D. Die Resonanzanregung des Bauwerkes hat eine Überbeanspruchung der betroffenen Elemente zur Folge: Schaden an Teilbereichen, an der Gesamtstruktur oder an Gegenständen im Innern des Bauwerkes.

c) Sprödbruchgefahr für Bauwerke konventioneller Bauweise mit anregbaren Eigenfrequenzen in der Zone III. Die Erschütterungen des Bodens besitzen einen Frequenzinhait, der am Bauwerk stoßartige Beanspruchungszustände auslöst: Sprödbruch-Zerstörungen. Die Sprödbruch-Zerstörungen setzen ein sprödes Reaktionsverhalten der beanspruchten Materialien im angeregten Frequenzband voraus.

d) Gefahr der Überbeanspruchung infolge differentialer Auflagerbewegungen. Der Durchgang einer Erschütterungswelle von P\ nach P2 (Fig. 1) kann bei Bauwerken D mit erheblichen Außenabmessungen zu unzulässig großen differenziellen Auflagerverschiebungen führen: Schäden durch Tendenz des Bauwerkes, sich lokal von den Auflagern abzuheben.

Schäden aus Beanspruchungskombinationen der erwähnten Beanspruchsfälle a) bis d) sind eingeschlossen; viele der ungeschützten Bauwerke besitzen typischerweise anregbare Eigenfrequenzen in den Zonen II und III.

Die vorgeschlagenen technischen Maßnahmen zur Erzielung des integralen Erdbebenschutzes sowie der Möglichkeit des einfachen rechnerischen Nachweises dieses Schutzes werden zum einfachen Verständnis am Beispiel eines Gebäudes unter extremaler Erdbebeneinwirkungen erläutert. Sie können in direkter Weise auf die verwandten Anwendungsfälle übertragen werden.

Der zu schützende Oberbau D des Gebäudes ist über Isolatoren C auf dem Fundament B abgestützt, das fest im Untergrund A verankert ist (Fig. 1). Die schematisierte Bodenbewegung ist mit £ bezeichnet.

Der geschützte Oberbau D umfaßt in der Regel alle Gebäudeteile, die nicht im Erdreich fest eingebunden sind. Der Oberbau D kann sich direkt auf das Fundament abstützen oder auf den im Erdreich eingebundenen Untergeschossen aufliegen, die in diesem Fall als Zusatzfundation wirken.

Mechanische Isolatoren C besitzen eine Doppelfunktion, da sie einerseits das Schwingungsverhalten eines elastischen Systems kontrollieren und andererseits eine Dämpfungswirkung ausüben. Demgemäß weist der schematisch dargestellte Isolator gemäß Fig.3 ein Dämpfungseiement C2 und ein Federelement Cl auf. Bei einer möglichen technischen Ausbildung eines Isolators werden eine Kopfplatte und eine Grundplatte mit zwischenliegenden Naturkautschuk-Platten in solcher Weise verklebt daß der Isolator mit dem Oberbau bzw. der Fundation fest verbunden werden kann. Die Naturkautschuk-Platten werden ihrerseits nach einer speziellen Fabrikationsweise untereinander verklebt, um extremale Druck-, Zug- und Schubdeformationen aufnehmen zu können. Die Konzeption der Isolatoren ist so ausgeführt, daß sie in allen Richtungen hochelastisch sind.

Naturkautschuk-Stützkörper werden bevorzugt, da sie gegenüber Stahlfedern wesentlich bessere Dämpfungswerte erreichen und den Elastizitätsanforderungen bei genügender Alterungsbeständigkeit in der Regel entsprechen. Vertikal wirkende Stahlfedern sind nach dem aktuellen Stand der Technik nicht geeignet zur Extremalbebensicherung.

Isolatoren müssen in der Ruhelage des Systems die statischen Oberbaukräfte aufnehmen und sie in die Fundation einleiten. Ihre geometrischen Positionen und individuellen Steifigkeiten werden deshalb grundsätzlich von der Massenverteilung im Oberbau diktiert und lassen sich ohne aufwendige technische Maßnahmen nicht beeinflussen; d. h., daß vertikale Lasten auf Fundationshöhe in der Regel dort aufgenommen werden müssen, wo sie auftreten, wobei folgende Ausbildungsformen denkbar sind: Isolatorenteppich aus lauter identischen Elementen; Isolatorenteppich mit individuell angepaßten Elementen; terrassenförmige Anordnung; freie Positionierung.

Bei dem Fundament können folgende Varianten auftreten: klassisches Fundament mit Zusatzelementen zur Aufnahme des Erdbeben-Schutzsystems (Fundament liegt dem Baugrund direkt auf); Zwischengeschoß, das Untergeschosse von Obergeschossen trennt und die Zusatzelemente des Erdbeben-Schutzsystems beherbergt.

Die Ausbildung des Fundaments hat, unabhängig von der gewählten Variante, folgenden Anforderungen zu genügen: Konzeption als Auflagerbereich mit großer Steifigkeit in allen Richtungen; Verhinderung von unkontrollierten Relativbewegungen zwischen den Auflagerpunkten; Schutz der Isolatoren gegen schädliche Umwelteinflüsse; leichte Zugänglichkeit zur Isolatoren-Kontrolle, -Wartung und -Ersatz; einwandfreie Aufnahme der klassischen Lastfälle (Eigengewicht, Nutzlast, Wind und Schnee).

Als weitere Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 4 ein als Unterstand ausgebildeter Oberbau D gezeigt, der über Isolatoren C an den Wänden einer Kaverne abgestützt ist.

Es ist nun rechnerisch nachgewiesen worden, daß, um räumlich schwimmend gelagerte Gebäude integral gegen Erdbeben zu sichern, folgende drei technische Maßnahmen zu treffen sind:

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— Die sechs Grundfrequenzen 1—6 des Systems müssen in die Zone I (Fig. 2) verlegt werden. Das geschieht mit Hilfe der mechanischen Isolatoren, die in allen Richtungen (auch vertikal) hochelastisch sind. Die beiden tiefsten Grundfrequenzen 1,2 sollen nicht mehr als etwa 40% der hinteren Grenzfrequenz Fi des Resonanzbereiches betragen. Die oberste Grundfrequenz 6 darf hingegen bis knapp unter die Grenzfrequenz Fi ansteigen, um die statischen Kräfte in der Ruheposition einwandfrei auf das Fundament zu übertragen.

— Der Oberbau des Gebäudes muß so steif ausgelegt werden, daß die Oberfrequenzen 7— 00 des isolierten Systems alle in die Zone III zu liegen kommen. Dazu wird ein sog. schachtel- bzw. wabenartiger Aufbau des Oberbaus gewählt: Die Außenmauern des Gebäudes werden mittragend ausgebildet, sie sind durchgehend, massiv und nur beschränkt mit öffnungen durchsetzt. Ihre Verbundwirkung unter sich und mit den Decken, Innenmauern und Säulen ist durch an sich bekannte konstruktive Maßnahmen sicherzustellen. Relativbewegungen an Knotenpunkten, Elementbegrenzungen und Bauabschnitten müssen dank geeigneter Ausbildung ausgeschlossen werden können. Eine wabenförmige Ausbildung entsteht, wenn die Decken und die tragenden Innenwände zur inneren Aussteifung der Schachtel miteinbezogen werden.
Das Fundament muß mit dem Baugrund ein starres Ganzes bilden. Dazu ist ein fester Baugrund zu wählen, z. B. Fels, Festgestein oder geeignete konsolidierte Alluvionen, dessen vertikale Steifigkeit mindestens sechs- bis neunmal größer ist als die Isolatorensteifigkeit. Das Fundament selbst ist im allgemeinen als durchgehende Platte oder als Trog auszubilden. Dadurch lassen sich Relativbewegungen zwischen den Auflagerpunkten auf vernachlässigbare Größen reduzieren, und der Einfluß der Bodenelastizität wird für den Rechengang vernachlässigbar.

Diese vorgeschlagenen technischen Maßnahmen haben folgende Auswirkungen:

— Im Resonanzbereich der Bemessungs-Spektralform (Zone II, F i g. 2) bildet sich eine Zone ohne Eigenfrequenzen des Systems aus: Eigenfrequenzloch im Resonanzbereich des Erregerspektrums.

— Da die fundamentalen System-Eigenfrequenzen alle sehr tief liegen, werden auf den Oberbau nur noch stark abgeminderte, höherfrequente Anteile der Bodenerregung E übertragen. Damit ist die Sprödbruchgefahr im Oberbau gebannt.

— Dank der starren Ausbildung und der hohen Isolation besteht für den Oberbau keine Einsturzgefahr mehr.

— Allfällige differenzielle Auflagerverschiebungen beim Durchgang einer Wellenbewegung werden »an der Quelle« erfaßt (Relativbewegung zwischen den hochelastischen Isolatoren), wodurch die Gefahr einer Überbeanspruchung im Oberbau stark herabgemindert wird.

Für das mathematische Modell entstehen zusätzlich erhebliche Vereinfachungen:

— Der Oberbau darf zu rechnerischen Zwecken auch im definitiven Hauptrechengang der Erschütterungsanalyse wie ein starrer Körper behandelt werden. Er besitzt damit nurmehr die sechs Freiheitsgrade des starren Körpers im Raum. Die Qualität der Resultate gegenüber der »exakten Lösung« wird dadurch in der Praxis nicht beeinträchtigt

Der Einfluß der Baugrundelastizität kann zu rechnerischen Zwecken vernachlässigt werden, falls die unbelasteten sog. »Free-Field-Eigenfrequenzen« des Bodens mindestens zweieinhalb- bis dreimal so hoch sind wie die höchste Grundfrequenz des schwimmend gelagerten Gebäudes. In diesem Fall ist also die Berücksichtigung der Interaktion Gebäude/Baugrund nicht mehr nötig.
Der Einfluß der Oberfrequenzen (ab 7. Systemfrequenz) auf die Erschütterungsbeanspruchung des geschützten Gebäudebereichs darf zu rechnerischen Zwecken vernachlässigt werden.
Resonanzprobleme im geschützten Gebäudebereich können dank seiner steifen Ausbildung lokal behandelt werden. Eine Interaktion zwischen lokal resonanzgefährdeten Teilen und dem geschützten Gebäudebereich entfällt dank seiner steifen Ausbildung.

Die praktische Realisierbarkeit des Sicherheitsnachweises gegen extreme Erschütterungen ist mit ein Bestandteil der Aufgabenstellung für den integralen Erschütterungsschutz. Das nachfolgende Verfahren wird als geeignet erachtet, diesen Nachweis bei extremaler Erdbebenbeanspruchung zu erbringen. Es beruht darauf, daß extremale Erdbeben sich durch geeignete Definition des Lastfalls von den in einer hochseismischen Region regelmäßig auftretenden Standardbeben nach Stärke und Charakter unterscheiden lassen. Die Definitionsweise des Lastfalls kann in geeigneter Weise auf andere dynamische Beanspruchungszustände übertragen werden. Der Sicherheitsnachweis wird in folgenden Etappen durchgeführt:

1. Etappe: Definition der Lastfälle Extremal- und

Standardbeben, gültig für den Bauplatz.

2. Etappe: Nachweis der Erdbebensicherheit des Ge

bäudes ohne Erdbeben-Schutzsystem gegen den Lastfall Standardbeben gemäß den Vorschriften der Erdbebennormen der betreffenden Region unter Annahme einer Beschränkung auf normgemäß elastische Deformationen.

3. Etappe: Aufsuchen der ungünstigsten Einfallsrich

tungen durch Rotation der dreidimensionalen Bemessungsbeben um die Fundation zur Bestimmung der extremalen Reaktionen — repetitive spektrale oder modale Berechnung unter Extremalbeben.

4. Etappe: Untersuchung des Verhaltens der extrema

len Bewegungs- und Kräftegrößen bei systematischer Variation der Massen- und Steifigkeitsverteilung am Gebäude mit Erdbeben-Schutzsystem — Parameteranalyse durch repetitive spektrale Berechnung in den ungünstigsten Einfallsrichtungen.

5. Etappe: Bestimmung der extremalen Bewegungs

und Kräftegrößen des Gesamtsystems und von Systembereichen am Gebäude mit Erdbeben-Schutzsystem — modale oder inkrementale Berechnung mit extremalen Bemessungsbeben in den ungünstigsten Einfallsrichtungen.

6. Etappe: Eingliederung der extremalen Erdbebenre

aktionen in die statische Berechnung und die Tragwerksbemessung — eigentlicher Sicherheitsnachweis.

7. Etappe: Untersuchung der lokalen Resonanzgefahr

— Berechnung mit Finite-Element-Modellen für Gebäude-Teilbereiche und den ermittelten kinetischen Reaktionen (5. Etappe) ah Input-Funktionen.

Für die Etappen 4 bis 6 muß das Tragwerk als räum-Hch definiertes mathematisches Modell eingeführt werden. Die strukturelle Auflösung soll soweit ins Detail gehen, daß es die Analyse erlaubt, jene exponierten Elemente tatsächlich aufzufinden, die als erste elasto-plastische Deformationen erleiden.

Um den rechnerisch erbrachten Sicherheitsnachweis experimentell zu bestätigen, wurde das Modell eines Standardgebäudes erstellt und einer Erschütterung ausgesetzt, welche den bewegungsintensivsten Beben entspricht, die derzeit bekannt sind.

Das in der F i g. 5 in auseinandergezogener Darstellung gezeigte Standardgebäude besitzt einen klaren, übersichtlichen Aufbau mit statisch und dynamisch klar erfaßtbarer Konzeption. Der Grundriß ist punktsymmetrisch, und die Ausbildung ist monolithisch, kompakt und schachtelartig, so daß eine kräftige, starre Konstruktion gewährleistet ist. Der Oberbau ist wieder mit D bezeichnet, die Isolatoren mit C und das Fundament mit B. Die Geschoßdecken DA, das Dach D2, der Kern D3 mit dem Treppenhaus, die Innen- und Außenwände DA und die Stützen D5 tragen zur inneren Aussteifung des Gebäudes bei.

Dieses Standardgebäude kann als repräsentativer Vertreter eines »Turmhochhauses« gelten.

Am Beispiel dieses achtgeschossigen Gebäudes konnte rechnerisch und experimentell einwandfrei nachgewiesen werden, daß der integrale bauliche Erdbebenschutz gegen die größten heute bekannten Starkbeben in der Praxis erzielt werden kann. Dank der vorgeschlagenen technischen Maßnahmen bildet sich im Resonanzbereich des Erdbebenbemessungsspektrums das erfindungsgemäße Eigenfrequenzloch aus.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vor Schaden durch Bodenerschütterungen geschützter, räumlich schwimmend gelagerter und einen räumlich steifen Oberbau bildender Körper, welcher über mechanische Isolatoren, die in allen Richtungen elastisch ausgebildet sind, auf einem starr mit dem Untergrund verbundenen Fundament gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fundament (B) als durchgehende Platte, Trog oder dgl. ausgebildet ist, und ein steifer Untergrund (A) vorliegt, wobei Oberbau (D), Isolatoren (C), Fundament (B) und Untergrund (A) derart aufeinander abgestimmt sind, daß als Eigenfrequenzen einmal tiefe Grundfrequenzen (1 bis 6) und zum anderen hohe Oberfrequenzen (7,8,9...) des aus dem Oberbau (D) und den Isolatoren (C) bestehenden Schwingungselementes auftreten und zwischen diesen Grundfrequenzen (1 bis 6) und den Oberfrequenzen (7, 8, 9 ...) ein als Eigenfrequenzloch bezeichneter Bereich vorhanden ist, in welchem das Schwingungselement keine Eigenfrequenz aufweist, wobei das Eigenfrequenzloch in dem als Resonanzbereich bezeichneten Bereich des zentralen Frequenzbandes mit großen Amplituden des maßgebenden Bemessungs-Reaktionsspektrums der Erschütterung (E) liegt

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden tiefsten Grundfrequenzen (1 und 2) nicht mehr als 40% der höchsten Grundfrequenz (6) betragen.

3. Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die höchste Grundfrequenz (6) 1,6 Hz nicht wesentlich übersteigt und die tiefste Oberfrequenz (7) 6,0 Hz nicht wesentlich unterschreitet.

4. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fundament (B) a\s Zwischengeschoß ausgebildet ist.

5. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren mittragende Elemente (D 3, DS) zu seiner Aussteifung verwendet werden.

6. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Steifigkeit der Isolatoren (C) mindestens sechsmal kleiner ist als die vertikale Steifigkeit des Untergrundes (A) und die vertikale Steifigkeit des Oberbaus (D).

7. Körper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatoren (C) aus einer Kopfplatte, einer Grundplatte und dazwischenliegenden, vorzugsweise miteinander verklebten Naturkautschuk-Platten bestehen.

8. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Bauwerk, eine Maschine oder eine Isolatorenstation ist.